المكثفات الكهربائية وأنواعها

المكثف الكهربائي

ما هو المكثِّف الكهربائي؟

يعدُّ المكثِّف الكهربائي أداة من الأدوات الكهربايّة المستهلكة للطاقة، بحيث إنّ مهمّة المكثّف الكهربائيّ الأساسيّة هي تخزين الطاقة الكهربائيّة بداخله، ويتكوّن المكثِّف الكهربائي من صفيحتين موصلتين للتيّار الكهربائي بينهما صفيحة تتكوّن من مادة عازلة للتيار الكهربائي، وحين يتصل المكثّف الكهربائي بدارة كهربائيّة فإنه يعمل على تمرير التيار المتردد من خلاله ولا يسمح بمرور التيار الثابت ويعمل على إبقائه وتخزينه بداخله.^[١]

تختلف المكثّفات الكهربائية عن بعضها البعض بالسعة الكهربائيّة والتي تعبّر عن مقدار الشحنة التي بإمكان المكثّف تخزينها بداخله، وتعتمد كمية الشحنة المخزّنة بشكل كبير على نوع المادّة العازلة المستخدمة في تصميم المكثّف الكهربائي، بحيث إنّ لكل مادة عازلة ثابت عزل يؤثّر بشكل كبير في قدرة المكثّف على تخزين الشحنات الكهربائيّة.^[١]

يتكوّن المكثّف الكهربائي من طبقتين موصلتين للتيار الكهربائي تفصلهما طبقة عازلة قادرة علةى تخزين الشحنات بداخلها اعتمادََا على ثابت العزل الخاص بهذه المادة العازلة.^[١]

يوجد العديد من الأنواع المختلفة للمكثّفات الكهربائية، وتختلف من حيث السعة الكهربائيّة والتي تعتمد بشكل رئيس على المادة العازلة الموجودة بين الصفيحتين الموصلتين للتيار الكهربائي، إذ إن المادة العازلة تحتوي على خصائص تركيبية تحدّد قدرة المكثِّف على تخزين الطاقة الكهربائيّة وسيتم ذكرها فيما يأتي. ^[٢]

المكثّفات القطبيّة

المكثّفات القطبيّة هي نوع من المكثّفات الكهربائيّة التي توصل في الدائرة الكهربائيّة باتجاه محدّد ولا يعاكس قطبيّتها، وفي حال توصيلها بطريقة خاطئة، فسيؤدي ذلك إلى إتلافها وعدم عملها بشكل صحيح ومن الأمثلة على المكثّفات القطبيّة مكثّف الألمنيوم الكهربائي ومكثّف التنتالوم، وتستخدم بشكل كبير في تطبيقات الاقتران والفصل في الدوائر الكهربائيّة .^[٢]

المكثّفات متغيّرة السّعة

المكثّفات متغيّرة السّعة هي نوع من المكثّفات الكهربائية التي تتغيّر سعتها ويكون ذلك بواسطة زر أو مقبض متبّت على المكثّف وهو قليل الاستخدام إلّا إنه ما زال موجودََا ومستخدمََا، ومن الأمثلة على هذا النوع من المكثّفات هو الموجود في الراديو، وتتغير قيمة مواسعة المكثّف اعتمادََا على حاجة الدائرة الكهربائيّة لقيمة مواسعة معيّنة، وعادةََ ما تكون هذه المكثّفات تحمل قيم مواسعة قليلة جدََا إذ لا تتجاوز قيمة سعتها القصوى 1000 بيكوفاراد.^[٢]

المكثّفات ثابتة السّعة

المكثّفات ثابتة السّعة هي نوع من المكثّفات الكهربائيّة التي لا تتغيّر سعتها، ولها أنواع عديدة تختلف عن بعضها البعض باختلاف الصفائح المكوّنة للمكثّف، وباختلاف نوع المادة العازلة بين الصفيحتين المستخدمة في تصنيع المكثّف، وفيما يأتي أبرز أنواع المكثّفات ثابتة السّعة:^[٢]

مكثِّف السيراميك

سمّي مكثِّف السيراميك بهذا الاسم بسبب استخدام مادة السيراميك كمادة عازلة في المكثّف، ويتميّز هذا النوع من المكثّفات بالثبات وعامل خسارة قليل للشحنة مقارنة بالأنواع الأخرى من المكثفات، إلّا إنه ذو سعة تخزينيّة قليلة بالنسبة لمساحة سطحه بحيث تتراوح السعة التخزينيّة لهذا النوع من المكثّفات بين العديد من البيكوفاراد إلى الأجزاء من الميكروفاراد، ويستخدم مكثِّف السيراميك في الدوائر الكهربائيّة في تطبيقات الربط والفصل .^[٣]

مكثّف الألمنيوم الكهربائي

يتم تصنيع مكثّف الألمنيوم الكهربائي باستخدام صفيحتين رقيقتين من الألمنيوم إحاهما مغطاة بطبقة مؤكسدة عازلة وبينهما ورقة منقوعة بمحلول كهربائي، بحيث يتم لف هاتين الصفيحتين حول بعضهما البعض ومن ثم وضعهما في علبة، ويعد هذا النوع من المكثّفات هو الأكثر شيوعََا بين المكثّفات الكهربائيّة، إذ تتعدّى سعة الواحد منها الميكروفاراد الواحد، وهذه السعة تعد من أكبر السعات التخزينيّة للمكثّفات الكهربائيّة بالنسبة لحجم المكثّف.^[٢]

وتعدّ المكثفات الكهربائيّة من المعدّات القطبية في الدائرة الكهربائيّة، إذ إن توصيلها بطريقة خاطئة معاكسة لقطبيّتها سيؤدي إلى إتلافها، كما إنّه يجب التنبّه إلى الجهد المحتمل لكل مكثّف بحيث يتم تشغيل المكثّف تحت هذه القيمة والحرص على عدم الوصول إليها لضمان عمل المكثّف بشكل جيد.^[٢]

مكثّف البلاستيك

يدخل في بناء المكثّف البلاستيكي العديد من المواد العازلة مثل المواد عديدة الكربونات والبوليستر والبولسترين، وهي من أكثر المواد شيوعََا واستخدامََا في صناعة المكثّفات البلاستيكيّة، ولكلِّ منها خصائص مختلفة عن الأخرى.^[٢]

وتتراوح السعة التخزينية للمكثّفات البلاستيكيّة بين العديد من البيكوفاراد إلى القيل من الميكروفاراد وذلك بالاعتماد على نوع المادة العازلة المستخدمة في صناعة المكثِّف البلاستيكي^[٢] ويمتاز بثباته المرتفع وانخفاض سعره زمعدّل خسارة قليل للشحنات الكهربائيّة عند الترددات المرتفعة.^[٤]

مكثّف التنتالوم

مكثّف التنتالوم هو نوع من المكثّفات التي تعد صغيرة الحجم وهي مستخدمة في الكثير من التطبيقات التي تعتبر الحجم مهمََا، وهو متأثّر بالقطبية إذ أن وصله بطريقة معاكسة لقطبيته سيؤدي إلى إتلافه، ومكثّف التنتالوم أصغر بكثير من مكثّف الألمنيوم، ويصنّع برقائق من مادة التنتالوم المؤكسدة، كما أنّ هذا النوع من المكثّفات غير قادر على تحمّل فرق الجهد المرتفع، إذ لا يتعدى مقدار تحمّل المكثّف 35 فولت، ولكنّ حجمها الصغير هو ما يجعلها مطلوبة ومحبّبة لمصمّمي الدوائر الكهربائية والأجهزة المختلفة.^[٢]

مكثّف الميكا

سمّي هذا النوع من المكثّفات بمكثّف الميكا بسبب استخدام مادة الميكا في تصنيعه كمادة عازلة، ويتم تصنيع هذا النوع من المكثّفات بأقطاب مصنوعة من الفضة يتم طلاؤها بعدّة طبقات من مادة الميكا العازلة وذلك بحسب السعة المطلوبة للمكثّف المُصنّع، وتتراوح السعة الكهربائية لهذا النوع من المكثفات بين عدد قليل من البيكوفاراد إلى ألفين او ثلاثة آلاف بيكوفاراد، وهذا النوع قليل الاستخدام إلا إنه مهمََا في التطبيقات التي تحتاج ثباتََا في الإشارة الكهربائيّة وذلك لأن مكثّف الميكا يمتاز بمعدل خسارة قليل نسبيََا.^[٢]

المكثّف الفائق

المكثّف الفائق هو نوع من المكثّفات ذو السعة العالية جدََا، إذ تصل سعته إلى الفاراد أو أكثر، وهو من أكثر المكثّفات شيوعََا، ويستخدم في تطبيقات عديدة مثل تخزين الطاقة الكهربائية وفلترة الإشاراتالكهربائية وربطها ببعضها البعض^[٥]، ومن خصائص المكثّف الفائق أيضََا أنّه يمتلك استجابة محدودة للترددات الكهربائيّة، ويستخدم بشكل كبير في صناعة مكثّفات المقاومة المثاليّة والتي تعد مهمّة جدََا في تخزين التيار والجهد الكهربائي بداخلها للاحتفاظ بالذاكرة وذلك بعد إزلة مصدر التيار الكهربائي.^[٢]

لكل نوع من الأنواع المختلفة للمكثّفات الكهربائية مزايا وسيّئات، ويتم اختيار نوع المكثّف في بناء الدائرة الكهربائيّة بحسب المتطلبات التي ستقدمها الدائرة الكهربائية.

استخدامات المكثفات الكهربائية

ما هي التطبيقات التي تستخدم المكثّفات الكهربائيّة؟

تستخدم المكثّفات الكهربائيّة في العديد من التطبيقات الكهربائيّة، كلٌٌّ حسب مزاياه وخصائصه، إذ تحدِّد طبيعة عمل الدائرة نوع المكثّف وطريقة توصيله داخلالدائرة الكهربائية ليقوم بالوظيفة المطلوبة من الدائرة الكهربائيّة والتي يحددها المصمّم، وعدم اختيار المكثّف الصحيح سيؤدي إلى اختلالات في عمل الدائرة الكهربائية، وفيما يأتي أهم استخدامات المكثّفات الكهربئيّة:^[٦]

• تستخدم في تطبيقات الاقتران، بحيث تربط الدوائر الكهربائيّة التي تتكون من أكثر من مرحلة مع بعضها البعض .
• تستخدم في تطبيقات الفصل إذ تمنع مرور أي إشارة تيار متردد من مصدر التيار الثابت.
• تستخدم في تنعيم الإشارة الكهربائيّة القادمة من مصدر التيار الكهربائي والداخلة إلى الدائرة الكهربائيّة وذلك حفاظََا على المعدات الإلكترونية في الدائرة الكهربائيّة.
• تستخدم كأداة توقيت في الدائرة الكهربائيّة،بحيث إنّ وقت الشحن والتفريغ للمكثّف يحدد وقت عمل الدائرة الكهربائيّة.
• تستخدم كأداة لتخزين الطاقة في الدائرة الكهربائيّة وذلك بعد انقطاع التيار الكهربائي عنها.

تستخدم المكثّفات الكهربائيّة في تطبيقات ربط وفصل الدوائر الكهربائيّة وتنقية الإشارات وتنعيمها، وتستخدم أيضََا كأداة توقيت وتخزين في العديد من الدوائر الكهربائيّة.

توصيل المكثفات الكهربائية

يتم توصيل المكثّفات الكهربائيّة داخل الدوائر الكهربائيّة بطريقتين أساسيّتين، ولكل طريقة منهما مواسعة نهائيّة تكافيء مجموع المواسعات الموصولة في الدائرة الكهربائيّة يتم حسابها بعلاقات رياضيّة تعتمد طريقة التوصيل.^[٧]

قد تكون المواسعة المكافئة أكبر من جميع المواسعات الموصولة وقد تكون أصغر، ويتم توصيل هذه المواسعات بحسب المواسعة المكافئة المرادة، وفيما يأتي توضيح لطرق توصيل المكثّفات:^[٧]

التوصيل على التوازي

وفي هذه الطريقة يتم توصيل طرفي المكثّف مع طرفيّ المكثّف الذي يليه وهكذا، بحيث يكون لجميع المكثّفات فرق الجهد نفسه، والتيار المار بكل مكثّف مختلف عن الآخر ويعتمد على المقاومة الداخليّة للمكثّف، وفي هذا النوع من التوصيل فإنّ المواسعة المكافئة لجميع المواسعات الموصولة على التوازي تساوي مجموع المواسعات الخاصّة بكل مكثّف، أي إنّ المواسعة المكافئة أكبر من أكبر مواسعة موجودة بين المواسعات.^[٧]

التوصيل على التوالي

في هذه الطريقة يتم توصيل المكثّف من جهة بالمكثّف الذي يقع يمينه، ومن الجهة الأخرى بالمكثّف الذي يقع يساره، ويمر بجميع المكثّفات نفس التيار الكهربائي، إلّأ إنّ الجهد الكهربائي يكون مختلفََا على طرفي كل مكثّف وذلك بالاعتماد على قيمة المقاومة الداخليّة للمكثّف، ويتم حساب المواسعة المكافئة لجميع المواسعات بأخذ مقلوب كل مواسعة وجمعها إلى بعضها لتساوي مقلوب قيمة المواسعة المكافئة، ومن ثم أخذ المقلوب للحصول على قيمة المواسعة المكافئة.^[٨]

وبهذا فإنّ المواسعة المكافئة لمجموعة المكثّفات الموصولة على التوالي تكون أصغر من أصغر مواسعة موجودة بين المواسعات.^[٨]

توصل المكثّفات الكهربائيّة بطريقتين هما التوصيل على التوالي والتوصيل على التوازي، ولا يمكن تفضيل إحداهما على الأخرى لأن لكل واحدة منهما حاجة وهدف وراء استخدامها يحددها نوع الدائرة ومساحتها والتطبيق المستخدمة فيه، وكل طريقة تعطي مواسعة مكافئة تختلف عن الأخرى.

سعة المكثف

ما هي وحدة قياس سعة المكثّف؟

سعة المكثف هي خاصيّة من خصائص المواد الموصلة للتيّار الكهربائي بحيث إنّها تعبر عن مقدار الشحنات الكهربائية المنفصلة التي يمكن تخزينها لكل وحدة تغيير في الجهد الكهربائي، وتعبر هذه الخاصيّة في المكثّف الكهربائي عن مقدار تخزين الشحنة بين صفيحتي المكثّف الكهربائي.^[٩]

تقاس سعة المكثّف بالفاراد، وتعتمد سعة المكثّف على عدّة عوامل مثل مساحة سطح صفائح المكثّف، المسافة بين الصفائح، طبيعة المادة العازلة المستخدمة في بناء المكثّف وقيمة فرق الجهد المطبّق على المكثّف الكهربائي.^[٩]

السعة الكهربائية للمكثّف من أهم الخصائص التي تميّز المكثّف، ووحدة قياسها هي الفاراد، وتعبر عن مقدار الشحنات التي يستطيع المكثّف أن يخزّنها بداخله.

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت} "Capacitor", www.sciencedirect.com, Retrieved 2020-09-15. Edited.
2. ^ ^{أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز} "Capacitor Types: Types of Capacitor", www.electronics-notes.com, Retrieved 2020-09-14. Edited.
3. ↑ "Ceramic Capacitor", byjus.com, Retrieved 2020-09-15. Edited.
4. ↑ "Plastic film capacitor", www.physics-and-radio-electronics.com, Retrieved 2020-09-15. Edited.
5. ↑ " How does a Supercapacitor Work?", batteryuniversity.com, Retrieved 2020-09-15. Edited.
6. ↑ "Capacitor Uses & Applications", www.electronics-notes.com, Retrieved 2020-09-15. Edited.
7. ^ ^{أ ب ت} "Capacitors in Parallel", www.electronics-tutorials.ws, Retrieved 2020-09-15. Edited.
8. ^ ^{أ ب} "Capacitors in Series", www.electronics-tutorials.ws, Retrieved 2020-09-15. Edited.
9. ^ ^{أ ب} "Capacitance", www.britannica.com, Retrieved 2020-09-15. Edited.